原子物理学 课件-第四章 碱金属原子和电子自旋

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证：设是机械自旋 电子半径： 电荷： 磁矩：
安束2（焦/特）
（超过光速）
因此，电子自旋不是机械自旋
（电子自旋，其实一点也没有“自旋”的意义。最好称呼它 为“内禀角动量”，它是微观粒子内部属性，与运动状态毫 无关系。它的性质与角动量类似，但不能用任何经典语言 描述。在经典物理中，找不到对立物）。

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二、由光谱精细结构推断碱金属原子能级（以锂为例）
1、二辅系： 的跃迁，由于双线间隔相 等，设想 能级不分裂，单层，p能级分裂，双层。 末态p能级：各能级共 同有关，双线间隔为 2p能级分裂间隔。
2、主线系： 的跃迁，双线间隔随 增 大而减小，p能级分裂间隔随 增大而逐渐减小

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（2）自旋取向的意义：
原子实坐标
电子坐标 一个顺着磁场 一个逆着磁场
电子自旋取向：

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二、从轨道，自旋角动量的耦合 看能级双分裂
角动量耦合：已知
求：总角动量

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1、玻尔理论
与
夹角0，
2、量子力学
从上式可看出，
与
不能平行或反平行


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三个终端 主 Ⅰ Ⅱ 柏
光谱项： 若测得T， 则可算得
每一线系限波数 恰为另一线系动 项中最大的一个

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对于锂， 表4.1给出， （三）两个量子数 仿效氢光谱：
碱光谱：
即碱原子能量与两个量子数
碱金属原子能级图。
有关.
(1）对同一个主量子数 ，有几个能级 （2）能级按 分类， 相同属同一例
1925年，荷兰：两位大学生，库仑贝克，古兹密特 一）电子自旋假设： 1、每个电子都具有固有的自旋角动量

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在外场（磁场）方向的投影只有两个 （自旋投影量子数） 2、每个电子具有自旋磁矩 ，它与 的关系
（对比：
在外场方向的投影子自旋不是机械自旋，是电子固有的内 禀属性。
（3）与氢能级图作比较， 氢能级。 越大，能级越接近

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（四）一个规则：选择定则 谱线跃迁只发生在: 的能级之间 主： Ⅰ：
Ⅱ： 柏：

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碱金属光谱的统一表式
主： Ⅰ：
Ⅱ：
柏：
元素
2 3 4 5 6 7

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§4.2 碱金属光谱解释 原子实极化 轨道贯穿 一. 碱金属原子实模型
同一

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2、转道贯穿 当价电子处于 小，偏心率大的轨道上运动时， 其轨道可能贯入原子实内部，引起能级降低的 现象。 价电子轨道分为两部分： i、在原子实外运动,受原子实库仑场作用，有效电荷
光谱项：
能级因极化下降不太多 ii、价电子进入原子实内：

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iii、 都很大，价电子轨道离原子实很远，极化， 贯穿不再发生，碱金属原子能级与氢原子能级差别小。
括号内电子排布 形成稳定完整结 构

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原子实：碱金属原子中，除价电子以外的其余部 分，是一稳定结构，带单位正电荷。
原子实=核+2个电子. 占据 轨道
原子实=核+10个电子,占据
轨道,以下类推。
二、价电子运动：决定光谱、化学性质
（1）价电子远离原子实： 大， 大， 能级接近氢原子
（2）价电子靠近原子实: 小， 小，两种情况: 原子实极化，轨道贯穿。
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第四章
碱金属原子和电子自旋
碱金属原子: 锂、 钠、
3
钾、 铷、
19
铯、
55 s
钫.
87 r
Li
11
Na
K
37 b
R
C
F
特点：1）.虽然是多电子原子,但只一个价电子； 2）.光谱结构都相仿。 描述方法：在玻尔单原子电子描述方法基础上作改进。

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本章主要内容： 1、碱金属原子
2、电子自旋 3、氢原子光谱精细结构 §4.1 碱金属原子光谱 一、光谱规律 四个线系、三个终端、二个量子数、一个规则 以锂金属原子为例说明:
看光谱跃迁图的若干基本知识

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电子态表述：若电子处于量子数为 nl 状态。
l 0 s
1
2
3
4
5
p
d
f
g h

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（一）四个线系
1、主线系（Principal） 最亮，波长范围最广，第一谱线为红色，其余在紫外, 波数表达式:
R：里维伯常数 分别为
有关的修正数

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3、I与柏系三线结构： I： 的跃迁， 设 能级均双分裂。
从图看，好象应有4条谱线， 由于选择定则，虚线为禁 戒跃迁 结论： 能级双层， 能级单层，双层能 级间隔随主量子数 增加而减小。 能级分裂原因：电子轨道运动与 自旋相互作用所制。

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§4.4 电子自旋与轨道运动的相互作用
一、电子自旋假设的提出 史--盖实验：原子束偶分裂； 实验事实： 碱金属能级：双层结构。 若 ，则 为半整数，但 电子必存在另一运动状态，使得 不能为半整数， ，

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§4.3 碱金属原子光谱精细结构 一、精细结构 用高分辩本领的光谱仪观察碱金属光谱，每条谱 线又由更精细的两条或三条谱线组成。
例：钠，主线系第一谱线， 精细结构示意图

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精细结构特点： （1）所有碱金属光谱都有相同的精细结构; （2）各线系精细结构不同; 主：双线结构，双线间隔随波数增加而减小; Ⅱ：双线结构，双线间隔不变; Ⅰ：三线结构，两个线系限; 柏：三线结构，精细结构不易观察。
2、第一辅线系（漫线系）（Diffuse） 谱线较宽，边缘不清，前几条在可见区，其余 在紫外.波数表式:
3、第二辅线系（锐线系）Sharp 谱线窄，第一谱线位于红外，中间几条在可见区， 其余在紫外.波数表式:

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4、柏格曼线系（基线系）Fundamental,谱线在红外区.
(二）.三个终端（线系限） 四个线系波数统一表示为 有效量子数 第一项：固定，决定线系限及未态。 第二项：动项，决定初态。

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1、原子实极化: 没有价电子作用时，原子实内部正、负 电荷中心重合。 价电子靠近原子实，正、负电荷中心不再重合，原 子实被极化形成电偶极子，偶极子电场反作用于电 子，产生附加吸引力，引起能量降低。
用极化概念解释同一 的能级分裂: 引起同一 . 由于 不同 的能级分裂 小，轨道偏心率大， 价电子靠近原子实，极 化很强，能级下降多； 大，轨道偏心率小， 价电子远离原子实,极 化很弱，能级下降少